Costo batterie agli ioni di sodio (SIB)

Dopo tre decenni di costi delle batterie agli ioni di litio (LIB) in costante calo, il 2022 ha segnato un'inversione di tendenza storica: i prezzi delle celle sono aumentati significativamente a causa dell'impennata dei costi delle materie prime al litio. Questa volatilità della catena di approvvigionamento ha spinto l'industria delle batterie a valutare seriamente soluzioni alternative, con le batterie agli ioni di sodio (SIB) che si sono affermate come leader.

Le SIB offrono vantaggi interessanti rispetto alle LIB:

• Materie prime a basso costo (sodio vs. litio)

• Metalli più sostenibili e abbondanti sulla Terra nei materiali catodici e nei collettori di corrente (Fe, Mn, Al vs. Ni, Co, Cu)

• Distribuzione geograficamente diversificata delle materie prime per una migliore resilienza della catena di approvvigionamento

• Ottima capacità di velocità , soprattutto negli analoghi del blu di Prussia

• Prestazioni superiori a bassa temperatura

• Maggiore sicurezza in alcune sostanze chimiche (ad esempio, NFPP)

• Ideale per l'accumulo di energia stazionario (BESS), con potenziale per applicazioni EV

• Compatibilità con la sostituzione diretta con le gigafactory LIB esistenti

Attualmente, le SIB costano circa 125 dollari/kWh, ma uno studio tecnico-economico di Yao et al. suggerisce che i costi potrebbero scendere a 30 dollari/kWh entro il 2045, come mostrato nella Figura 1. Ciò apre una vasta opportunità di innovazione in tutti gli aspetti della produzione di SIB. Al contrario, le LIB si stanno avvicinando al limite massimo di costo dei minerali, limitando ulteriori guadagni attraverso la tradizionale espansione.

Sebbene i prezzi delle LIB siano diminuiti drasticamente dal 2023, i potenziali vantaggi delle sostanze chimiche SIB, tra cui la sostenibilità e l'instabilità della catena di approvvigionamento, mantengono la loro posizione di valido complemento alle LIB per numerose applicazioni.

Tendenze del mercato

Le caratteristiche prestazionali delle batterie agli ioni di sodio (SIB) le mettono in grado di competere con la chimica delle celle al litio ferro fosfato (LFP) in applicazioni simili che richiedono batterie a basso costo, con un compromesso accettabile in termini di minore densità energetica. Tra i mercati di riferimento figurano i sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS), lo storage di backup per data center e i mercati dei veicoli elettrici di fascia medio-bassa.

Sebbene i costi attuali delle batterie SIB (125 $/kWh) non siano ancora competitivi con quelli delle batterie al piombo (50-70 $/kWh), le proiezioni mostrano che le batterie SIB potrebbero superare le batterie al piombo in termini di economicità tra il 2032 e il 2047. Questa ampia gamma riflette le incertezze nei prezzi dei minerali, la crescita della domanda e le interruzioni geopolitiche della catena di approvvigionamento. Le aziende che investono in ricerca e sviluppo oggi saranno nella posizione migliore per rimanere competitive domani. Gli ultimi due decenni nella produzione di batterie sono stati caratterizzati dall'espansione delle batterie al piombo. Poiché ora sono disponibili una vasta base di conoscenze e infrastrutture, la commercializzazione delle batterie SIB sta avvenendo rapidamente, con la produzione di massa già in fase di espansione in Cina, sulla base degli annunci di CATL, BYD e altri.

Panoramica sui materiali attivi delle batterie agli ioni di sodio

Materiali catodici

• Ossidi stratificati (ad es. NFM – NaNi₁ / ₃Fe₁ / ₃Mn₁ / ₃O₂)

  La più alta densità energetica tra i materiali catodici SIB, ma presenta dei compromessi dovuti al costo più elevato dovuto al contenuto di nichel. Questi materiali sono analoghi ai materiali NMC nel settore delle batterie Li-Ion.

  I dopanti più comuni includono Mg, Ti, Cu, Zn, Ca per consentire la stabilità elettrochimica e l'esposizione all'umidità durante la produzione[5].

• Catodi polianionici (ad esempio, NFPP – Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) o NVPF – Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 )

  Capacità e tensione inferiori rispetto agli ossidi stratificati, ma migliori prestazioni di sicurezza e costi inferiori. Questi materiali sono analoghi agli LFP nello spazio LIB.

• Analoghi del blu di Prussia (ad esempio, PBA – NaₓMnFe(CN)₆)

  Materiale con la velocità di scarica più elevata nello spazio degli ioni sodio con velocità di scarica >10°C[1]. Il compromesso è che hanno il catodo SIB con la densità di energia più bassa.

  
  

Materiali anodici

• Carbonio duro (HC)

  Materiale anodico dominante nei SIB, con proprietà che dipendono fortemente dal precursore del materiale carbonioso.

• Materiali di lega (ad esempio, Sn, Pb, P)

  Materiali anodici ad alta densità energetica che si legano con Na, ma subiscono grandi variazioni di volume durante la sodiazione (>350%), con conseguente scarsa stabilità del ciclo e durata[5]. Questi materiali sono analoghi agli anodi di silicio nello spazio degli ioni di litio, ma hanno un livello di maturità tecnologica inferiore.

• Progetti senza anodi

  L'anodo con la più alta densità energetica teorica tra i SIB. Tuttavia, come le soluzioni chimiche LIB senza anodi e allo stato solido, sono i più lontani dalla commercializzazione in questa lista, con significativi problemi di sicurezza da superare nella ricerca.

  
  

Figura 2: Curve di tensione e capacità della semicella per (a) celle a bottone NFM / Na, (b) NFPP / Na e c) celle HC / Na

Esempi dei tre materiali SIB più comuni sono mostrati nella Figura 2, che rappresenta graficamente la tensione del primo ciclo in funzione della capacità.

Confronto della chimica delle batterie

Specificazione	Batteria al piombo	Batteria LiFePO4	Batteria agli ioni di sodio(Ossido stratificato）	Batteria agli ioni di sodio(Polianione)
Densità di massa ed energia (Wh/kg)	70~90	170~190	120~160	90~110
Tensione nominale (V)	2.00	3.20	3.00	2,8/3,0
Ciclo di vita	500~1000	3.000~10.000	2.000~3.500	6.000~8.000
-20°CMantenimento della capacità	60%	70~75%	85~90%	85~90%
-40°CMantenimento della capacità	40%	40~50%	70~75%	70~75%
Tolleranza allo scarico eccessivo	Povero	Povero	Eccellente	Eccellente
Infiammabilità	Alquanto infiammabile	Infiammabile	Non infiammabile	Non infiammabile
Costo per ora	Il più basso	Alto	Più alto	Più alto

La batteria agli ioni di sodio offre numerosi vantaggi rispetto alle batterie al litio ferro fosfato e ad altre batterie. Rispetto al litio, il sodio ha un'attività chimica relativamente inferiore, il che lo rende meno soggetto a runaway termici o esplosioni durante l'uso. Questa stabilità rende le batterie agli ioni di sodio estremamente sicure durante la ricarica rapida e in grado di gestire una potenza di carica più elevata. Le batterie agli ioni di sodio offrono un ampio intervallo di temperatura di esercizio, da -40 °C a 80 °C, il che le rende adatte ad applicazioni in condizioni meteorologiche estreme. La riserva di sodio è 440 volte superiore a quella del litio; sebbene il costo delle batterie agli ioni di sodio sia superiore a quello delle batterie al litio, in futuro si ridurrà e diventerà una soluzione economica.

Le principali sfide che deve affrontare lo sviluppo del SIB

Nonostante i notevoli vantaggi in termini di sostenibilità, costi e catena di fornitura, le SIB devono ancora affrontare reali ostacoli tecnici. La sfida maggiore è la bassa densità energetica delle celle, sia volumetrica (272 Wh/L) che gravimetrica (134 Wh/kg), dovuta a tensioni inferiori e capacità specifiche inferiori rispetto ai materiali per le batterie a ioni di litio (LIB). Vi sono anche sfide relative alla stabilità all'aria e all'assorbimento di umidità, a seconda del materiale attivo utilizzato. Inoltre, i materiali NFM sono attualmente costosi perché contengono circa il 30% di Ni, quindi la tendenza prevista del settore è quella di ridurre il contenuto di nichel nei prossimi anni.

Inoltre, ci sono delle sfide associate alla finestra di stabilità elettrochimica dei materiali: sono limitati a una tensione di cella completa inferiore a causa della differenza di 0,3 V tra Na/Na + vs Li/Li + [1]. Ciò significa che le reazioni di degradazione sul lato del catodo, come il rilascio di ossigeno nel reticolo, l'ossidazione dell'elettrolita, la dissoluzione del metallo di transizione si verificano a una tensione inferiore rispetto alle celle agli ioni di litio.

La promessa della tecnologia degli ioni di sodio

Le batterie agli ioni di sodio stanno emergendo come una valida alternativa alle batterie agli ioni di litio, in particolare per l'accumulo di energia su larga scala. Le attuali tecnologie agli ioni di sodio seguono tre percorsi principali: ossido stratificato, blu di Prussia/bianco e chimica dei polianioni. Tuttavia, le tradizionali tecnologie a ossido stratificato e blu di Prussia/bianco presentano delle difficoltà, tra cui una durata limitata del ciclo e una ridotta stabilità alle alte temperature, che le rendono meno adatte all'accumulo di energia su larga scala.

La batteria con la tecnologia dei polianioni, in particolare un catodo di ortopirofosfato di sodio e ferro, combinato con un anodo di carbonio duro. Questo approccio offre vantaggi significativi, come una maggiore efficienza energetica di andata e ritorno, eccellenti prestazioni a bassa temperatura e una robusta velocità di carica/scarica. Queste qualità posizionano la batteria come un punto di svolta per le soluzioni di accumulo su scala industriale che richiedono longevità, affidabilità e sicurezza.

Le prestazioni di accumulo di energia:

• Durata del ciclo e mantenimento della capacità: a 25 °C e in condizioni di potenza 1P, raggiunge un mantenimento della capacità del 94,2% dopo 4.000 cicli. In condizioni ottimizzate, si prevede che la batteria superi i 20.000 cicli mantenendo uno stato di salute (SOH) del 70%.

• Resistenza alla temperatura: a 45 °C, la batteria dimostra una durata notevole, conservando il 92,5% della sua capacità dopo 4.000 cicli, ovvero un aumento delle prestazioni di oltre cinque volte rispetto alle alternative convenzionali.

• Sicurezza e affidabilità: Conforme e superiore al rigoroso standard GB/T 44265 per i sistemi di accumulo di energia su scala industriale, la batteria è stata sottoposta a rigorosi test di sicurezza, tra cui valutazioni di caduta, schiacciamento, cortocircuito, sovraccarico, scarica eccessiva e runaway termico. Inoltre, è conforme agli standard GB/T 31485 e ha superato con successo il test di penetrazione dei chiodi, a conferma delle sue eccellenti credenziali di sicurezza.

  
  

Caratteristiche di sicurezza senza pari

L'impegno per la sicurezza traspare dal design della batteria. Le principali caratteristiche di sicurezza includono:

• Durata di conservazione a 0 V estremamente lunga: dopo sei mesi di conservazione a 0 V, la batteria mantiene la sua piena capacità senza alcuna degradazione, funzionando in modo efficiente come un'unità nuova di zecca.

• Nessun rischio di scintille: anche durante il montaggio, se l'anodo e il catodo dovessero accidentalmente cortocircuitarsi, la batteria elimina il rischio di scintille o scosse elettriche.

• Trasporto sicuro: la batteria rimane sicura anche in condizioni di trasporto estreme, come schiacciamento o ribaltamento. Non vi è alcun rischio di combustione o esplosione, garantendo una movimentazione e un utilizzo sicuri.

Guidare il futuro dell'accumulo di energia

L'approccio innovativo di H2W™ allo sviluppo di batterie agli ioni di sodio consolida la sua posizione di leader nel settore dell'accumulo di energia. Affrontando le sfide critiche dell'accumulo di energia su larga scala, come stabilità, efficienza e sicurezza sta liberando l'immenso potenziale della tecnologia agli ioni di sodio. L'impegno dell'azienda per l'innovazione garantisce continui progressi nelle soluzioni di accumulo di energia che soddisfano le esigenze in continua evoluzione del settore.

Conclusione

Il lancio delle batteria agli ioni di sodio segna un momento cruciale nell'accumulo di energia su scala industriale. Grazie alla sua tecnologia all'avanguardia e alle sue ineguagliabili caratteristiche di sicurezza, H2W™ sta aprendo la strada a un futuro energetico più sostenibile ed efficiente. Con l'azienda che si prepara alla produzione di massa nel 2025, il settore dell'accumulo di energia può contare su una soluzione affidabile e ad alte prestazioni, studiata su misura per soddisfare la domanda energetica globale.